\section{局部惯性系}\label{sec:12.05}

等效原理保证了在任何一个局部范围中，一定存在着引力作
用都被消除的参考系。在这种参考系中，一切不受外力作用的质
点，都作匀速直线运动。所以，按照惯性系的定义，这种参考系
应是一个惯性系。它被称为局部惯性系。

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在牛顿力学中，用惯性定律来判断一个参考系是不是惯性
系，即在没有外力的环境中，质点应保持惯性运动。但是，由于
引力是不可屏蔽的，它无处不在。所谓“没有外力的环境”实质
上是一个不存在的环境。因此，将惯性系建立在这种条件上，原
则上是缺乏根据的(尽管可以选择一些“实用”惯性系，近似满足
这个条件)。但在局部惯性系中，我们才真正能找到“没有外力的
环境”，并且在这个环境中的确仍有惯性定律。因此，局部惯性
系更加接近惯性系的本来要求。

局部惯性系比牛顿体系中的惯性系概念更明确也更本质。首
先，局部惯性系概念说明，由于引力的存在，只有在局部范围中
才能使用惯性系的概念，牛顿体系中所假定的大范围的、甚至全
空间统一的惯性系，在原则上是不存在的。

其次，在牛顿体系中我们不清楚为什么惯性系特别“优越”
和“独特”，牛顿用绝对空间来解释这一点，而绝对空间本身却
是更不清楚的。现在我们看到，局部惯性系之所以特别，因为在
这种参考系中引力没有了。所以，对物体运动的描写大大简化。

第三，在牛顿体系中，惯性系是决定于绝对空间的，但它本
身却不受物质运动的影响。亦即绝对空间是一个物理实在，因为
它会影响物体的动力学性质，决定动力学方程的形式，这是十分
强的影响。但是，物质运动却不能对绝对空间有任何影响。这种
没有反作用的单向关系，与一般物理规律的特征相当不协调。在
局部惯性系体系中，一个作自由落体运动的实验室才是一个局部
惯性系，显然，它是决定于物质的分布及运动的。现在我们既不
要求局部惯性系相对于某个绝对空间是无加速度的，也不要求各
个不同的局部范围上的惯性系之间是无加速度的。例如，围绕地
球运行的人造卫星、飞向金星的飞船，它们都是局部惯性系，因
为它们都是在纯引力的作用下作自由的飞行，尽管它们之间可能
是有加速度的。

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总之，引力的作用使大范围的惯性系不再存在，只能有局部
的惯性系。引力的作用就在于决定各个局部惯性系之间的联系。
在任何一个局部惯性系中，我们是看不到引力作用的，只能在各
个局部惯性系的相互关系中才能看到引力的作用。

总结经典力学的发展。在牛顿体系中，工作程序总是这样的：
取定一定的参考系用以度量有关的物理量，然后给出力的性质，
写出动力学的基本方程。在这个过程中，时空的几何性质(即由
所取的参考系决定)是不受有关的物理过程影响的。

但是，爱因斯坦的理论表明，引力一方面要影响物体的运动，
另一方面又要影响各局部惯性系之间的关系。所以，我们不可能
先行规定时空的几何性质，或先行规定参考系。这种先行规定的
东西可能并不存在，时空的几何性质本身就是有待确定的东西。
这种新的力学，不仅讨论物体之间的相互作用，而且讨论物质运
动与时空几何之间的关系，时空本身也成了一种动力学的量。这
种力学，就是爱因斯坦所发展的广义相对论。在广义相对论中，
空间、时间和物质运动是相互作用着的。这里不但摆脱了牛顿意
义下与物质运动无关的绝对时空，也超出了狭义相对论的框架。
爱因斯坦曾说：

“空间时间未必能被看作是一种可以离开物理实在的实际
客体而独立存在的东西。物理客体不是\CJKunderdot{在空间之中}，而是这些客
体有着\CJKunderdot{空间的广延}。因此，空虚的空间，这个概念就失去了它的
意义。”
